(57)【要約】【課題】複数の異なる種類の試料を効率よく混合攪拌する試料混合方法及び装置を得る。【解決手段】本発明の試料混合方法は、流路内で複数の異なる種類の試料を電気的に混合攪拌する方法であって、流路の流れ方向に対して垂直方向に流路を挟み少なくとも一つの電極対を対向配置し、この電極対に所定の繰返時間を有したパルス電力を供給するものである。また、パルス電力を、繰返時間毎に極性を反転させてもよいし、電極対毎に個別に供給するようにしてもよい。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路内で複数の異なる種類の試料を電気的に混合攪拌する方法であって、
前記流路の流れ方向に対して垂直方向に前記流路を挟み少なくとも一つの電極対を対向配置し、前記電極対に所定の繰返時間を有したパルス電力を供給することを特徴とする試料混合方法。
【請求項２】
前記パルス電力は、前記繰返時間毎に極性を反転させることを特徴とする請求項１記載の試料混合方法。
【請求項３】
前記パルス電力は、前記電極対毎に個別に供給することを特徴とする請求項１または２記載の試料混合方法。
【請求項４】
前記パルス電力は、前記電極対単位で所定の遅れ時間を有して供給することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の試料混合方法。
【請求項５】
前記パルス電力は、隣接する前記電極対毎に極性を反転させることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の試料混合方法。
【請求項６】
基板により構成された流路と、前記流路前記流路を挟み流れ方向に対して垂直方向に配置された少なくとも一つの電極対と、前記電極対にパルス電力を供給する電源と、前記電源の電力を調整するコントローラとを備えたことを特徴とする試料混合装置。
【請求項７】
前記電極対は、前記基板の内部に配置されていることを特徴とする請求項６記載の試料混合装置。
【請求項８】
前記電極対は、電気的に独立して隣接されていることを特徴とする請求項６または７記載の試料混合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、創薬、有機合成、化学分析等で利用される微小な流路における複数の生体分子や試料等を混合攪拌する試料混合方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の試料混合方法及び装置は、流路内に攪拌部を設け、前記混合部に配置した光圧ミキサにより液中で直接、混合攪拌を行っている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２５２８９７号公報（第２図）
【０００４】
図８において１は試料Ａ、２は試料Ｂ、５は混合試料、６は流入口、７は流出口、１０は流路、１３は攪拌部、５０は光圧ミキサである。
以上の構成において、流入口６より試料Ａ１と試料Ｂ２を流入させて攪拌部１３に導入し、前記攪拌部に配設された光照射により生ずる光圧を駆動力として回転する光圧ミキサ５０にレーザ光等を照射することで前記攪拌部において回転させ、前記攪拌部で前記試料Ａ及び試料Ｂに対流を誘起して２液を能動的かつ直接的に混合攪拌できるようになっている。
上記のような試料混合方法及び装置では、攪拌部に光圧ミキサを配置することで機械的な駆動源を有することなく光照射により容易に混合攪拌を行うことができるようになっている。また、前記攪拌部で発生する対流を直接的に混合攪拌に利用することで混合試料の混合効率を飛躍的に増大させ、反応速度を向上することができるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の試料混合方法及び装置においては、流路内に直接、光圧ミキサを配設する必要があるため、微小な流路チップ自身の製作工程が複雑となり、流路幅が狭くなるに従って加工が難しくなる。また、光圧ミキサの駆動源として光源を利用するため、光透過性の悪い材質を基板として用いることができず、混合攪拌できる試料も光透過度により混合効率の低下を招く恐れがある。さらに、機械的に対流を発生させて混合攪拌を行うため、光圧ミキサの回転時に試料に損傷を与える恐れがある。
そこで、本発明は上記の点を考慮してなされたもので、流路内で複数の試料を電気的に効率よく混合攪拌する試料混合方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明はつぎの構成にしている。
（１）流路内で複数の異なる種類の試料を電気的に混合攪拌する方法であって、前記流路の流れ方向に対して垂直方向に前記流路を挟み少なくとも一つの電極対を対向配置し、前記電極対に所定の繰返時間を有したパルス電力を供給する構成である。
本構成によれば、パルス電力を供給するため、試料と流路壁の界面に発生するイオン層をパルス的に分散させ試料中のイオン成分を流路の流れ方向に対して垂直方向に移動させることができ、効率的な混合攪拌を非接触に行うことができる。また、パルス的に電力を供給することでエネルギーの大半を試料中のイオンの移動に利用することができ、熱エネルギーとして消費されるエネルギーを抑制することができる。
（２）前記パルス電力は、前記繰返時間毎に極性を反転させるようにしたものである。
本構成によれば、パルス電力印加により形成されたイオン群を逆向きに移動させることができるため連続的な混合攪拌を行うことができる。また、小刻みなパルス電力供給を行うことで試料の損傷を防ぐと共に熱エネルギー消費を抑制することができる。
（３）前記パルス電力は、前記電極対毎に個別に供給するようにしたものである。
本構成によれば、試料の種類に応じて必要な混合攪拌作用を電極対の構成を変更することなく容易に付加することができる。
（４）前記パルス電力は、前記電極対単位で所定の遅れ時間を有して供給するようにしたものである。
本構成によれば、試料中のイオンをイオンの流れ方向に対して垂直方向に移動するのみではなく、二次元的に混合攪拌を行うことができる。
（５）前記パルス電力は、隣接する前記電極対毎に極性を反転させて供給するようにしたものである。
本構成によれば、隣接する電極対の境界部で試料が逆方向に移動するため混合攪拌作用を増大することができる。
（６）基板により構成された流路と、前記流路前記流路を挟み流れ方向に対して垂直方向に配置された少なくとも一つの電極対と、前記電極対にパルス電力を供給する電源と、前記電源の電力を調整するコントローラとを備えた構成である。
本構成によれば、パルス電力を供給するため、試料と流路壁の界面に発生するイオン層をパルス的に分散させ試料中のイオン成分を流路の流れ方向に対して垂直方向に移動させることができ、効率的な混合攪拌を非接触に行うことができる。また、パルス的に電力を供給することでエネルギーの大半を試料中のイオンの移動に利用することができ、熱エネルギーとして消費されるエネルギーを抑制することができる。
（７）前記電極対は、前記基板の内部に配置するようにしたものである。
本構成によれば、各電極対が試料と直接接触することが無いため、電極材質の腐食や電極成分の溶出を防ぐことができる。
（８）前記電極対は、電気的に独立して隣接するようにしたものである。
本構成によれば、試料の種類に応じて必要な混合攪拌作用を電極対の構成を変更することなく印加するパルス電力の種類、強度、数及びタイミングで容易に調整することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明では、化学分析等で用いられている電気泳動のように直流高電界場を形成して物質を移動させる電気的移動手段ではなく、パルス的に高電界場を形成することで物質の移動度を向上させると共に、電極近傍に形成されるイオン層による移動度低下を抑制し、電気的に発生する物質の移動度を利用して複数の物質を効率よく混合攪拌するものである。
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳述する。
【０００８】
（第１実施例）
本発明の第１実施例を図１、２に示す。図１は、本発明の試料混合装置を示す断面図、図２は図１の試料混合装置に印加する電源のタイミングチャートである。図において、共通する部分には同一符号を用いてあり、１は試料ａ、２は試料ｂ、３はポンプａ、４はポンプｂ、５は混合試料、６は流入口、７は流出口、１０は流路、１１は上基板、１２は下基板、１３は攪拌部、１４は攪拌方向、１５は電極ａ、１６は電極ｂ、１７は電極対、１８は電源、３０は信号、３４は出力電圧、３５は繰返時間、３６は立上り時間である。
試料ａ１として蛍光色素、試料ｂ２として酵母菌より抽出したＤＮＡ断片を用い、それぞれシリンジ駆動のポンプａ３及びポンプｂ４により微小な流路の流入口６に導入した。流路１０は断面が３００μｍ角、長さ２０ｍｍのものを用い、電極ａ１５及び電極ｂ１６は半導体プロセス加工により作製したものを用いた。
次に、本実施例の動作について説明する。
マイクロ加工された流路１０の流入口６よりポンプａ３を用いて試料ａ１を、ポンプｂ４を用いて試料ｂ２を規定流量で導入する。次に、電極ａ１５と電極ｂ１６で構成される電極対１７に電源１８の制御部の信号３０に対応した出力電圧３４を印加すると電極対１７間に高電界場が形成される。流路１０内部は、基本的に層流であり両試料はイオン成分を有しているため、固体（流路壁）―液体（試料）界面では流路１０の材質に起因する電気２重層が形成されている。ここで、パルス的な出力電圧３４を電極対１７に印加することで電極対１７近傍に存在する両試料によるイオン層は流路１０液中に分散すると共に、試料ａ１及び試料ｂ２は出力電圧３４の極性に応じて電極対１７間で移動を開始し、両試料が平均自由工程に起因する衝突反応を引き起こすことにより攪拌部１３で混合攪拌される。次に繰返時間３５を介して逆極性の出力電圧３４を印加すると両試料は先程とは逆方向に移動を開始し、再度、混合攪拌が行われる。この両試料の往復動作を連続的に行うことで混合試料５を効率的に採取することができる。
例えば、合計１０μＬ／ｍｉｎ（各試料５μＬ／ｍｉｎ）で供給された両試料を混合攪拌して混合試料５を採取し、蛍光分析装置で混合率を発光強度で測定したところ、混合率の改善を確認することができた。
【０００９】
（第２実施例）
本発明の第２実施例を図３〜５に示す。図３は、本発明の試料混合装置を示す断面図、図４および５は図３の試料混合装置の電源に入力する信号のタイミングチャートである。図において、共通する部分には同一符号を用いてあり、１７ａ、１７ｂ及び１７ｃは電極対、１９はコントローラ、３１ａ、３１ｂ及び３１ｃは信号、３７は遅れ時間、４０ａ、４１ａ及び４２ａは電極、４０ｂ、４１ｂ及び４２ｂは電極である。
第１実施例と同様な試料ａ１、試料ｂ２及び流路１０を用い、各電極は半導体プロセス加工により作製したものを用いた。
次に、本実施例の動作について説明する。
マイクロ加工された流路１０の流入口６よりポンプａ３を用いて試料ａ１を、ポンプｂ４を用いて試料ｂ２を規定流量で導入する。次に電極対１７ａ、電極対１７ｂ、電極対１７ｃにコントローラ１９で制御された信号３１ａ、信号３１ｂ、信号３１ｃを介して電源１８より各電極対に対応した出力電圧３４を印加することで攪拌部１３に高電界場が形成される。ここで、パルス的な出力電圧３４を各電極対に印加することで各電極対近傍に存在する両試料によるイオン層は流路１０液中に分散すると共に、試料ａ１及び試料ｂ２は出力電圧３４の極性に応じて各電極対間で移動を開始し、両試料が平均自由工程に起因する衝突反応を引き起こすことにより攪拌部１３で混合攪拌される。次に繰返時間３５を介して逆極性の出力電圧３４を印加すると両試料は先程とは逆方向に移動を開始し、再度、混合攪拌が行われる。この両試料の往復動作を連続的に行うことで混合試料５を効率的に採取することができる。
電源１８から各電極対への電圧印加はコントローラ１９により行われるが、図４のように各電極対に同極性を同時に印加すると攪拌部１３で各試料は同期した状態で一様に混合攪拌することができる。また、図５のように流れの下流側（流出口７側）に位置する電極対１７ｃより遅れ時間３７を有した状態で信号３１ａ、信号３１ｂ（電極対１７ｂ）、信号３１ｃ（電極対１７ａ）と順番に電源１８へ入力することで攪拌部１３全域で液流とは逆向きの流れで、かつ交流的に攪拌混合を行うことができるためイオン層の成長を抑え、混合率をより高めることができる。
例えば、合計１０μＬ／ｍｉｎ（各試料５μＬ／ｍｉｎ）で供給された両試料を混合攪拌して混合試料５を採取し、蛍光分析装置で混合率を発光強度で測定したところ、混合率の改善を確認することができた。
【００１０】
（第３実施例）
本発明の第３実施例を図６、７に示す。図６は、本発明の試料混合装置を示す断面図、図７は図６の試料混合装置の電源に入力する信号のタイミングチャートである。図において、共通する部分には同一符号を用いてある。
第１実施例と同様な試料ａ１、試料ｂ２及び流路１０を用い、各電極は半導体プロセス加工により作製したものを用いた。
次に、本実施例の動作について説明する。
マイクロ加工された流路１０の流入口６よりポンプａ３を用いて試料ａ１を、ポンプｂ４を用いて試料ｂ２を規定流量で導入する。次に電極対１７ａ、電極対１７ｂ、電極対１７ｃにコントローラ１９で制御された信号３１ａ、信号３１ｂ、信号３１ｃを介して電源１８より各電極対に対応した出力電圧３４を印加することで攪拌部１３に高電界場が形成される。ここで、パルス的な出力電圧３４を各電極対に印加することで各電極対近傍に存在する両試料によるイオン層は流路１０液中に分散すると共に、試料ａ１及び試料ｂ２は出力電圧３４の極性に応じて各電極対間で移動を開始し、両試料が平均自由工程に起因する衝突反応を引き起こすことにより攪拌部１３で混合攪拌される。次に繰返時間３５を介して逆極性の出力電圧３４を印加すると両試料は先程とは逆方向に移動を開始し、再度、混合攪拌が行われる。この両試料の往復動作を連続的に行うことで混合試料５を効率的に採取することができる。
本実施例では各電極対が電位的に完全に独立しているため、各電極対に個別な任意電圧を容易に供給することができる。電源１８から各電極対への電圧印加はコントローラ１９により行われ、図７のように隣接する電極対に異極性を同時に印加することにより、攪拌部１３全域を考慮すると各電極対に対応する攪拌部１３の境界付近でより多くの衝突反応を引き起こすことができ、また隣接する各電極は極性が異なるため流路１０壁面付近での衝突反応も促進することができるため、混合率をより高めることができる。
各電極対は、流路１０の接液部に対して流路１０を構成する上基板１１及び下基板１２の内部及び外側に配置しているため、各電極対が試料と直接接触することが無く、電極材質の腐食や電極成分の混合試料５への溶出を防ぐことができる。また各電極対を電気的に独立して隣接するようにしたので、試料の種類に応じて必要な混合攪拌作用を電極対の構成を変更することなく各電極対に印加される印加電圧３４の種類、強度、パルス数及びタイミングで容易に調整することができる。
例えば、合計１０μＬ／ｍｉｎ（各試料５μＬ／ｍｉｎ）で供給された両試料を混合攪拌して混合試料５を採取し、蛍光分析装置で混合率を発光強度で測定したところ、混合率の改善を確認することができた。
なお、本実施例では各試料の搬送手段としてポンプを用いたが、電気泳動的な搬送手段を用いても同様の効果が得られる。電極構造は実施例に示される形状のみではなく、特に各電極対で逆極性の電圧を印加する時は絶縁を十分に考慮すればどのような形状でも同様の効果が得られる。
流路１０を構成する上基板１１と下基板１２は同一または異種の種類の材質を接合させたものであってもよく、流路形状はチューブ状に限らず同心円状のように試料を中心部から導入し円状に拡散するような構造であってもよい。
コントローラ１９から出力される各信号は実施例のように一定波高値で入力する必要はなく、多段階で波高値を変更しながら入力してもよい。繰返時間３５および遅れ時間３７は一定間隔に設定する必要はなく、試料の反応性に応じて両者を混在させたタイムテーブルで最適な設定を行うことができる。
電源１８より印加されるパルス電圧は、用いる試料の種類に依存するが、熱エネルギー変換損失を防ぐことを考慮すると立上り時間３６は５００μｓ以下であることが望ましい。
なお、本発明の試料混合方法及び装置は、前述の実施例のみに限定するものではなく、例えば流路径の違いや他の分野においても本発明の要旨を逸脱しない範囲の試料混合方法及び装置に適用することができる。
【００１１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の試料混合方法及び装置によれば、次の効果がある。
（１）流路の流れ方向に対して垂直方向に流路を挟み少なくとも一つの電極対を対向配置し、電極対に所定の繰返時間を有したパルス電力を供給するので、試料と流路壁の界面に発生するイオン層をパルス的に分散させ試料中のイオン成分を流路の流れ方向に対して垂直方向に移動させることができ、効率的な混合攪拌を非接触に行うことができる。また、パルス的に電力を供給することでエネルギーの大半を試料中のイオンの移動に利用することができ、熱エネルギーとして消費されるエネルギーを抑制することができる。
（２）パルス電力は、繰返時間毎に極性を反転させるようにしたので、パルス電力印加により形成されたイオン群を逆向きに移動させることができ、連続的な混合攪拌を行うことができる。また、小刻みなパルス電力供給を行うことで試料の損傷を防ぐと共に熱エネルギー消費を抑制することができる。
（３）パルス電力は、電極対毎に個別に供給するようにしたので、試料の種類に応じて必要な混合攪拌作用を電極対の構成を変更することなく容易に付加することができる。
（４）パルス電力は、電極対単位で所定の遅れ時間を有して供給するので、試料中のイオンをイオンの流れ方向に対して垂直方向に移動するのみではなく、二次元的に混合攪拌を行うことができる。
（５）パルス電力は、隣接する電極対毎に極性を反転させて供給するようにしたので、隣接する電極対の境界部で試料が逆方向に移動するため混合攪拌作用を増大することができる。
（６）基板により構成された流路と、流路流路を挟み流れ方向に対して垂直方向に配置された少なくとも一つの電極対と、電極対にパルス電力を供給する電源と、電源の電力を調整するコントローラとを備えたので、パルス電力を供給するため、試料と流路壁の界面に発生するイオン層をパルス的に分散させ試料中のイオン成分を流路の流れ方向に対して垂直方向に移動させることができ、効率的な混合攪拌を非接触に行うことができる。また、パルス的に電力を供給することでエネルギーの大半を試料中のイオンの移動に利用することができ、熱エネルギーとして消費されるエネルギーを抑制することができる。
（７）電極対は、基板の内部に配置するようにしたので、各電極対が試料と直接接触することが無いため、電極材質の腐食や電極成分の溶出を防ぐことができる。
（８）電極対は、電気的に独立して隣接するようにしたので、試料の種類に応じて必要な混合攪拌作用を電極対の構成を変更することなく印加するパルス電力の種類、強度、数及びタイミングで容易に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す試料混合装置の断面図。
【図２】図１の試料混合装置に印加する電源のタイミングチャート。
【図３】本発明の第２実施例を示す試料混合装置の断面図。
【図４】図３の試料混合装置の電源に入力する信号のタイミングチャート。
【図５】図３の試料混合装置の電源に入力する信号の他のタイミングチャート。
【図６】本発明の第３実施例を示す資料混合装置の断面図。
【図７】図６の試料混合装置の電源に入力する信号のタイミングチャート。
【図８】従来の試料混合装置を示す模式図。
【符号の説明】
１  試料ａ
２  試料ｂ
３  ポンプａ
４  ポンプｂ
５  混合試料
６  流入口
７  流出口
１０  流路
１１  上基板
１２  下基板
１３  攪拌部
１４  攪拌方向
１５  電極ａ
１６  電極ｂ
１７、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ  電極対
１８  電源
１９  コントローラ
３０、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ  信号
３４  出力電圧
３５  繰返時間
３６  立上り時間
３７  遅れ時間
４０ａ、４０ｂ、４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ  電極
【図１】
2005007292.tif 000003
【図２】
2005007292.tif 000004
【図３】
2005007292.tif 000005
【図４】
2005007292.tif 000006
【図５】
2005007292.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005007292.tif 000009
【図８】
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